第1章土方工程课件.ppt

土 木 工 程 施 工,第 一 章土 方 工 程,2,1.土方规划 土的分类方法；土的含水量、渗透性、可松性概念；方格网法计算土方量的方法。2.土方工程施工要点 对土方调配方案进行优化的方法；土壁稳定的原理和方法；排水原理和方式；填土压实方法和要求。3.土方工程机械化施工 土方机械化施工常用机械及合理配置。4.爆破工程 石方爆破常识。,本章主要内容,3,1、土方工程的内容 主要内容：场地平整；坑、槽开挖；土方回填与压实。辅助内容：施工排、降水；土壁支撑。2、土方工程的施工特点（1）面广量大；（2）劳动强度大；（3）施工条件复杂(受地质、水文、气侯影响大，不确定因素多)。因此，施工前应进行调查研究，编制施工组织设计，拟定施工方案，以提高劳动生产率，加快工程进度，降低工程成本。,第一节 土方规划,4,3、土的工程分类 土的种类繁多，分类方法各异，在建筑安装工程定额中，按开挖的难易程度分为八类：,机械或人工开挖,爆破开挖,第一节 土方规划,5,4、土的工程性质 土的各种工程性质中，影响土方工程施工的主要为土的质量密度、含水量、渗透性和可松性等。质量密度：天然密度，土在天然状态下单位体积的质量，一般=1.62.0 g/cm3，影响土的承载力、土压力及边坡稳定性。干密度 d，单位体积土中固体颗粒的质量，是检测填土密实程度的指标。,第一节 土方规划,6,4、土的工程性质 土的各种工程性质中，影响土方工程施工的主要为土的质量密度、含水量、渗透性和可松性等。含水量：土中所含的水与土的固体颗粒间的质量比，以百分数表示：W=（G湿-G干）/G干 100%G湿含水状态时土的质量，G干土烘干后的质量。含水量影响土方施工方法的选择、边坡的稳定性和回填土的质量。如含水量超过2530%，则机械化施工就困难；回填土则需要最佳含水量，方能夯实压密，获得最大干密度。,第一节 土方规划,7,4、土的工程性质 土的各种工程性质中，影响土方工程施工的主要为土的质量密度、含水量、渗透性和可松性等。渗透性：指土体被水透过的性质，土的渗透性用渗透系数K表征。渗透系数K：表示单位时间内水穿透土层的能力，以m/d表示。它同土的颗粒级配、密实程度等有关；是人工降低地下水位及选择各类井点的主要参数。,第一节 土方规划,8,4、土的工程性质 土的各种工程性质中，影响土方工程施工的主要为土的质量密度、含水量、渗透性和可松性等。可松性：自然状态下的土经开挖后，其体积因松散而增加，称为土的最初可松性，以后虽经回填压实，仍不能恢复到原来的体积，称为土的最终可松性。最初可松性系数 KS=V2/V1 1.081.5 最后可松性系数 KS=V3/V1 1.011.3 V1 土在自然状态下的体积。V2 土经开挖后松散状态下的体积。V3 土经回填压实后的体积。,第一节 土方规划,9,5、土方量计算的基本方法（平均高度法、平均断面法）（1）平均高度法（四方棱柱体法、三角棱柱体法）四方棱柱体法 将施工区域划分为若干个边长等于a的方格网，每个方格网上的土方体积V等于底面积a2乘以四个角点高度的平均值，即 若方格四个角点部分是挖方、部分是填方时，按下列公式计算：,第一节 土方规划,10,h1,h2,h3,h4,a,全填全挖,h1,h2,h3,h4,b,c,a,两填两挖,h1,h2,h3,h4,b,c,a,三填一挖或 三挖一填,全填或全挖,两填两挖,三填一挖或全挖一填,一个角填或挖,a方格边长；bc为计算图形相应两个边长；hi方格角点施工高度；V挖方或填方体积,第一节 土方规划,11,三角棱柱体法 将每一个方格顺地形的等高线沿对角线划分为两个三角形，然后分别计算每一个三角棱柱体的土方量。当三角形为全挖或全填时，按公式：,a)全填或全挖,式中 V 挖方或填方体积（m3）；H1、H 2、H3三角形各角点的 施工高度，均取绝对值（m）。a方格边长（m）。,第一节 土方规划,12,当三角形三个角点有填有挖时，零线将三角形分成两部分，一个是底面为三角形的锥体，一个是底面为四边形的楔体：,式中H1、H2、H3 分别为三角形各角点的施工高度（m），取绝对值，其中H3指的是锥体顶点的施工高度。,第一节 土方规划,13,5、土方量计算的基本方法（平均高度法、平均断面法）（2）平均断面法 近似计算V=(F上+F下)H/2 精确计算V=(F上+4F中+F下)H/6 基坑、基槽、路堤、管沟等土方量计算，均可用平均断面法。,第一节 土方规划,14,6、场地平整土方量计算主要按以下步骤进行：（1）场地设计标高H0确定 确定原则和步骤（2）场地土方量计算 计算步骤,第一节 土方规划,15,（1）场地设计标高H0确定 场地设计标高H0确定的基本原则：a.符合规划、生产工艺和运输要求；b.充分利用地形，以减少挖方数量；c.场地内的挖方和填方能达到相互平衡，且土方量最小；d.要有一定的泄水坡度(2),使能满足排水要求；e.考虑最高洪水位的影响。,第一节 土方规划,16,（1）场地设计标高H0确定 场地设计标高H0确定的步骤 如果场地比较平缓，对场地设计标高无特殊要求，可按照“挖填土方量相等”的原则确定场地设计标高，即场地内土方的绝对体积在平整前和平整后相等。其步骤如下：1）根据场地地形图划分方格网（a=10m40m）2）根据相邻等高线，用插入法计算或实测各方格角点地面标高；3）根据挖填平衡原则计算场地设计标高；4）对场地设计标高进行调整；,第一节 土方规划,17,1）根据场地地形图划分方格网（a=10m40m）,第一节 土方规划,18,2）根据相邻等高线，用插入法计算或实测各方格角点地面标高；,第一节 土方规划,19,3）根据挖填平衡原则计算场地设计标高；,一般说来，理想的设计标高，应该使场地内的土方在平整前和平整后相等而达到挖方和填方的平衡，如图所示，即,第一节 土方规划,20,从图 中看出，H11 系一个方格的角点标高，H 12和 H 21均系2 个方格公共的角点标高，H 22则系4 个方格公共的角点标高。如果将所有方格的4 个角点标高相加，那么，类似 H 11这样的角点标高加了1 次，类似H 12和 H 21的标高加了2 次，而类似 H 22的标高则加了4 次。因此，,式中：H1、H2、H3、H4 分别为一个方格、二个方格、三个方格、四个方格所共有的角点标高(m)。,第一节 土方规划,21,4）场地设计标高的调整；,依据前面公式所计算的标高，纯系理论计算值，实际上还需考虑以下因素进行调整：(1)由于土具有可松性，必要时应相应地提高设计标高。(2)由于设计标高以上的各种填方工程用土量影响设计标高的降低，或者设计标高以下的各种挖方工程而影响设计标高的提高。(3)由于边坡填挖土方量不等(特别是坡度变化大时)而影响设计标高的增减。(4)根据经济比较结果，将部分挖方就近弃土于场外，或将部分填方就近取土于场外而引起挖填土的变化，需增减设计标高。(5)根据泄水坡度调整设计标高。,第一节 土方规划,22,实际场地均应有一定的泄水坡度。因此，应根据泄水要求计算出实际施工时所采用的设计标高。,2)双向排水时，各方格角点设计标高为：,1)单向排水时，各方格角点设计标高为:,Hn=H0 l i,Hn=H0 lx ix l yi y,ly,lx,ix,iy,H0,l,H11,H0,H0,i,H12,H21,Hn,第一节 土方规划,23,（2）场地土方量计算场地平整土方工程量计算步骤：场地设计标高确定后，求出平整场地各角点施工高度hn。确定“零线”的位置，了解整个场地挖、填区域分布状态。计算整个场地的填、挖土方总量。,第一节 土方规划,24,根据场地设计标高确定施工高度。,施工高度的含义是该角点的设计标高与原地形标高的差值。,第一节 土方规划,25,确定“零线”的位置。,1.零线即挖方区与填方区的交线，在该线上施工高度为零。2.零线的确定方法是：在相邻角点施工高度为一挖一填的方格边线上，用插入法求出零点（0）的位置，将各相邻的零点连接起来即为零线。,式中：x零点至计算基点的距离；a方格边长。,第一节 土方规划,26,计算整个场地的填、挖土方总量。零线求出后，也就划出了场地的挖方区 和填方区，便可按平均高度法分别计算出挖、填区各方格的挖、填土方量。需要指出的是，通常在场地挖方区和填方区的边沿，都需要做成边坡，以保证挖方土壁和填方区的稳定，因此涉及到边坡的土方量计算。下面就该问题做一介绍。,第一节 土方规划,27,边坡的土方量计算,边坡的土方工程量可以划分成两种近似的几何形体，即三角棱锥体(如图中体积，11)和三角棱柱体(如场地边坡平面图中体积)。,第一节 土方规划,28,第一节 土方规划,29,按每个方格角点的施工高度算出填、挖土方量，并计算场地边坡的土方量，这样即得到整个场地的填、挖土方总量。,第一节 土方规划,30,7、土方调配（1）调配原则 应力求达到挖、填平衡和运距最短的原则。土方调配应考虑近期施工与后期利用相结合的原则。土方调配应采取分区与全场相结合来考虑的原则。土方调配还应尽可能与大型地下建筑物的施工相结合。合理布置挖、填方分区线，选择恰当的调配方向、运输线路，使土方机械和运输车辆的性能得到充分发挥。,第一节 土方规划,31,（2）调配步骤 划分调配区。在平面图上划出挖、填区的分界线，并在挖方区和填方区划出若干调配区，确定调配区的大小和位置。计算各调配区的土方量，并标于图上。计算每对调配区的平均运距，即挖方区土方重心至填方区重心的距离，并将每一距离标于土方平衡与运距表中。确定最优调配方案。先用“最小元素性”确定初始方案，再用“位势法”进行检查，是否总的运输量为最小值，否则用“闭回路法”进行调整。绘制土方调配图，根据以上结果，标出调配方向、土方数量及运距。,第一节 土方规划,32,（2）调配步骤 画出挖方区、填方区；划分调配区 注意：1）位置与建、构筑物协调，且考虑施工顺序；2）大小满足主导施工机械的技术要求；3）与方格网协调，便于确定土方量；4）借、弃土区作为独立调配区。,第一节 土方规划,33,找各挖、填方区间的平均运距（即土方重心间的距离）可近似以几何形心代替土方体积重心。列挖、填方平衡及运距表。,第一节 土方规划,34,调配 初始调配方案。方法：最小元素法就近调配。顺序：先从运距小的开始，使其土方量最大。,结果：所得运输量较小，但不一定是最优方案。（总运输量97000m3m),第一节 土方规划,35,（3）调配方案的优化（表上作业法）判别是否最优方案：位势法 1）求位势Ui和Vj：有调配数的方格开始 Cij=Ui+Vj（Cij 平均运距）,设 U1=0，,U3=C31V1=6050=10；,则V1=C11U1=500=50；,V2=11010=100；,第一节 土方规划,36,2）求检验数ij，ij=Cij Ui Vj，若所有ij 0，则方案为最优解。,ij=Cij Ui Vj;11=500500（有土）;,13=10006040;,21=70(60)5080;,结论：表中12为负值，非最优方案。应对初始方案进行调整。,第一节 土方规划,37,方案调整（闭回路法）1）找闭回路 调整顺序：从负值最大的格开始。沿水平或垂直方向前进，遇适当的有数字的格转弯，直至回到出发点。2）调整调配值 从空格出发，在奇数次转角点的数字中，挑最小的土方数调到空格中。然后在表中左右上下各方格进行调整，以保持挖填平衡。,第一节 土方规划,38,3）再求位势及空格的检验数 从空格出发，在奇数次转角点的数字中，挑最小的土方数调到空格中。然后在表中左右上下各方格进行调整，以保持挖填平衡。,由于所有的检验数 ij 0，故该方案已为最优方案。若检验数仍有负值，则重复以上步骤，直到全部ij 0而得到最优解。,第一节 土方规划,39,1、土壁稳定 土壁的稳定主要由土体内的摩阻力和粘结力来保持平衡的，一旦土体失去平衡，就会造成塌方，不仅会造成人身安全事故，而且会影响工期，甚至会危及附近的建筑物，因而土方施工中应保持土壁稳定防止塌方。（1）土壁塌方的原因 内因：主要是由于在外界因素的影响下，使土体内的抗剪强度降低或剪应力增加，使土体中的剪应力超过其抗剪强度所造成。外因：体现在以下几个方面：a.边坡太陡，土的稳定性不够；b.雨水施工，雨水渗入边坡中，使土体重量增加，剪应力增加，同时抗剪能力下降；c.边坡顶有动载或静载。,第二节 土方工程施工要点,40,（2）防止塌方的措施 放足边坡 1）边坡的含义：土方施工中为了保持土壁稳定防止塌方，对挖方和填方的边缘均应作成一定的坡度，这个倾斜的坡度即为边坡。2）通常用边坡系数m表示。3）确定边坡系数的大小应考虑的因素：土的种类；水文条件；施工方法；开挖深度；工期的长短。,h,b,m,第二节 土方工程施工要点,41,（2）防止塌方的措施 设置支护 1）横撑式支撑,第二节 土方工程施工要点,42,2）锚桩支撑,第二节 土方工程施工要点,43,3）板桩支撑,第二节 土方工程施工要点,44,4）土钉墙,第二节 土方工程施工要点,45,5）土层锚杆,第二节 土方工程施工要点,46,2、施工排（降）水(1)施工排（降）水的目的 a.基坑开挖过程中，当基底低于地下水位时，由于土的含水层被切断，地下水会不断地渗入坑内。b.雨期施工时，地面水也会不断流入坑内。c.如果不采取降水措施，把流入基坑内的水及时排走或把地下水位降低，不仅会使施工条件恶化，而且地基土被水泡软后，容易造成边坡塌方并使地基的承载力下降。d.另外，当基坑下遇有承压含水层时，若不把地下水位降低，则基底可能被冲溃破坏。e.因此，为了保证工程质量和施工安全，在基坑开挖前或开挖过程中，必须采取措施，控制地下水位，使基坑施工时坑底保持干燥。,第二节 土方工程施工要点,47,(2)施工排（降）水的方法 集水井降水法（明排水法）：定义：在基坑或沟槽开挖时，在坑底设置集水井，并沿坑底的周围或中央开挖排水沟，使水在重力作用下流入集水井内，然后用水泵抽出坑外。适用条件：集水井降水法一般适用于降水深度较小且土层为粗粒土层或渗水量小的粘性土层。它不适用于粉砂土和细砂土，在这类土中易形成流砂。,第二节 土方工程施工要点,48,(2)施工排（降）水的方法 井点降水法（人工降低地下水位法）：井点降水就是在基坑开挖前，预先在基坑四周埋设一定数量的滤水管（井）。在基坑开挖前和开挖过程中，利用真空原理，不断抽出地下水，使地下水位降低到坑底以下。人工降低地下水位方法有：轻型井点、喷射井点、管井井点、深井泵以及电渗井点等，可根据土的渗透系数、降低水位的深度、工程特点及设备条件等，可参照下表进行选择。,第二节 土方工程施工要点,49,其中以轻型井点采用较广，下面重点阐述轻型井点降水方法。,第二节 土方工程施工要点,50,(3)轻型井点降水方法 轻型井点法就是沿基坑的四周将许多直径较细的井点管埋入地下蓄水层内，井点管的上端通过弯联管与总管相连接，利用抽水设备将地下水从井点管内不断抽出，这样便可将原有地下水位降至坑底以下，其全貌如下图所示。,第二节 土方工程施工要点,51,轻型井点设备及工作原理轻型井点设备由管路系统和抽水设备组成。管路系统包括：滤管、井点管、弯联管及总管等。,第二节 土方工程施工要点,52,轻型井点布置 单排井点 宽度小于6m，降水深度不超过5m采用 双排井点 宽度大于6m，土质不良采用 环行井点 基坑面积较大呈方形采用,第二节 土方工程施工要点,53,轻型井点计算 轻型井点的计算内容包括：涌水量计算，井点管数量与井距的确定，以及抽水设备选用等。水井的分类：1.承压完整井；2.承压非完整井；3.无压完整井；4.无压非完整井,第二节 土方工程施工要点,54,无压完整井涌水量计算（群井）：式中：S 井点管处水位降落高度（m）；x0井点管围成的水井的半径（m）F 环形井点所包围的面积（m2）R抽水影响半径；K土的渗透系数（m/d）；H含水层厚度（m）；S水井处水位降落高度（m）；r 水井（单井）的半径（m）。,第二节 土方工程施工要点,55,井点管数量计算井点管最少数量由下式确定：式中q 为单根井管的最大出水量，由下式确定：井点管最大间距：n 井点管最少根数；d滤管直径（m）；l 滤管长度（m）；L总管长度（m）;K土的渗透系数（m/d）。,实际采用的井点管间距D 应当与总管上接头尺寸相适应。即尽可能采用0.8，1.2，1.6或2.0m 且Dn，一般n应当超过1.1n，以防井点管堵塞等影响抽水效果。,第二节 土方工程施工要点,56,3、流砂防治(1)定义 粒径很小，无塑性的土壤，在动水压力推动下，极易失去稳定而随地下水一起涌入坑内，形成流砂现象。（2）产生条件 内因土的性质，如孔隙度大、含水量大、粘粒含量少、粉粒多、渗透系数小、排水性能差等均容易产生流砂现象。外因a.水流方向从下向上；b.动水压力等于或大于土的浮重度。满足以上条件时，土粒处于悬浮状态，能随着渗流的水一起流动，带入基坑，便发生流砂现象。,第二节 土方工程施工要点,57,(3)流砂危害 出现流砂现象时，土完全丧失承载力，土体边挖边冒流砂，至使施工条件恶化，基坑难以挖到设计深度；严重时会引起基坑边坡塌方；临近建筑因流砂而出现地基被掏空的现象，往往会造成建筑开裂、下沉、倾斜甚至倒塌。（2003年7月1日凌晨，建设中的上海轨道交通4号线突发险情，造成若干地面建筑物遭到破坏。）（4）流砂防治枯水期施工枯水期地下水位较低，基坑内外水位差小，动水压力小，就不易产生流砂。冻结法将出现流砂区域的土进行冻结，阻止地下水流渗流，防止流砂产生。,第二节 土方工程施工要点,58,（4）流砂防治强挖并抛大石块法分段抢挖土方，使挖土速度超过冒砂速度，在挖至标高后立即铺竹、芦席，并抛大石块，以平衡动水压力，将流砂压住。此法适用于治理局部的或轻微的流砂。设止水帷幕法将连续的止水支护结构（如连续板桩、深层搅拌桩、密排灌注桩等）打入基坑底面以下一定深度，形成封闭的止水帷幕，使土的渗流路径延长、减小水力坡度，从而减小动水压力，防止流砂产生。人工降低地下水位法即采用井点降水法（如轻型井点、管井井点、喷射井点等），使动水压力的方向向下，从而能有效地防止和根治流砂。此法应用广泛且较为可靠。,第二节 土方工程施工要点,59,4、填土压实(1)填土的基本要求 保证一定的密实性和稳定性，符合设计和规范的有关规定。（2）填筑方法 填土应分层进行，并尽量采用同类土填筑。若填方中采用不同透水性的土料填筑时必须将透水性较大的土层置于透水星较小的土层之下。（3）填土质量控制 选好土料，控制适宜的含水量，确定合适的铺土厚度与压实遍数（4）压实方法 碾压法：平碾，羊足碾 夯实法：蛙式夯，重锤夯，木夯，石夯 振动法。,第二节 土方工程施工要点,60,1、土方工程机械（1）挖掘机械：正铲、反铲、拉铲、抓铲（2）挖运机械：推土机、装载机、铲运机（3）运输机械：自卸汽车、翻斗车（4）密实机械：压路机、蛙式夯、振动夯,第三节 土方机械化施工,61,2、常见土方机械的特点，适用范围及作业方法（1）推土机：按铲刀的操纵机构不同分液压式和索式；特点：构造简单，操作灵活，所需工作面小，功率大，用途多，费用低；适用于：a.平整场地运距在100m内，一三类土的挖运，压实；运距40 60m时效率最高。b.坑槽开挖深度在1.5m内、一三类土。提高效率的作业方法：下坡推土，多次切土、一次推运，跨铲法，并列法，加挡板。,第三节 土方机械化施工,62,（2）铲运机：分自行式和拖式铲运机两种。特点：运土效率高；容量：2.58m3。适用于：距100800m、一二类土的大型场地平整或大型基坑开挖；堤坝、填筑等。提高效率的作业方法：环形线路，“8”字线路；助推法。,第三节 土方机械化施工,63,（3）单斗挖土机,正铲挖掘机,反铲挖掘机,拉铲挖掘机,抓铲挖掘机,第三节 土方机械化施工,64,正铲挖土机 工作特点：“前进向上，强制切土”；挖土、装车效率高，易与汽车配合；适用于：停机面以上。含水量30以下、一四类土的大型基坑开挖 作业方式：正向挖土后方卸土，正向挖土侧向卸土。反铲挖土机 工作特点：后退向下，强制切土，可与汽车配合；适用于：停机面以下、一三类土的基坑、基槽、管沟开挖。作业方式：沟端开行一挖宽0.71.7R，效率高、稳定性好；沟侧开行一挖宽0.50.8R。,第三节 土方机械化施工,65,拉铲挖土机 工作特点：后退向下，自重切土；开挖深度、宽度大，甩土方便。适用于：停机面以下、一二类土的较大基坑开挖，填筑堤坝，河道清淤。抓铲挖土机 工作特点：直上直下，自重切土，效率较低；适用于：停机面以下、一二类土的、面积小而深度较大的 坑、井开挖，最适于进行水中挖土。,第三节 土方机械化施工,66,3、机械化施工 根据地形、地貌、工程地质、水文、设备情况灵活掌握，以主导机械为主，其它机械配套，尽量减少停歇。（1）场地不大，运距100m以内，推土机合适；（2）地形平缓，起伏不大，运距1000m以内，铲运机合适；（3）地形起伏大的山丘，挖土高度3m以上，运距1000m以上，可以正铲方案，或推土机装载机汽车配合方案，或在低洼处设集料斗，推土机集料，汽车配合方案。,第三节 土方机械化施工,67,（4）基坑浅而面大，铲运机方案；较深，运距远，挖土机汽车配合或推土机装载机方案；地下水较高，未降水，抓铲、反铲或拉铲方案；（5）沟槽 反铲方案；（6）坑槽回填 推土机、装载机方案。土方工程除了实现综合机械化外，还应以流水方式组织施工，以充分发挥机械效能，加速工程进度。,第三节 土方机械化施工,68,1、爆破基本概念(1)原理 物质在介质中爆炸，释放出能量，对周围介质作功，使周围介质受到不同程度地破坏，这种现象称为爆破。（2）爆破漏斗与参数R破坏半径，爆破破坏圈范围；r漏斗半径，在临空面上的破坏半径；W最小抵抗线，从药包中心到 临空自由面的最小距离；n=r/W 爆破作用指数，衡量 装药量的多少，当n=1,为标准抛掷爆破；n 1，为加强抛掷爆破。,第四节 爆破施工,69,2、炸药、药量计算及起爆方法(1)类型 有硝铵类、胶质、TNT、黑火药等，为破坏炸药，工程上常用岩石2#硝铵炸药；有雷汞、特屈儿等起爆炸药。（2）药量计算 Q=Kv=KW3 n=1 标准抛掷爆破 k(0.4+0.6n3)W3 n1加强抛掷爆破 k0.33W3 n1松动爆破 式中 V为漏斗体积，k为单耗药量（kg/m3)（3）起爆方法 有火花、电力、导爆索、导爆管等方法，详见教材。,第四节 爆破施工,70,3、爆破方法 有裸露法（表面）、炮眼法（含深孔）、峒室法、控制法（定向、光面、预裂、拆除、近人）、药壶法等。工程中炮眼法最常见，见下图。排距 b=(0.8 1.0)W,间距a=(0.4 2.0)W,W=(0.4 1.0)H，H为开挖梯段高度。,第四节 爆破施工,71,4、安全技术措施领、运、储、装药、警戒等都应符合规程与有关规定。爆破前做好安全爆破的准备工作。使用电力线路作为起爆电源，必须有闸刀开关装置。起爆前应对爆破网路进行一次检查。必要时，爆破前需要计算对建筑物的安全距离：地震效应安全距离 Rc=Kc Q 1/3 空气冲击波安全距离 Rk=Kb Q 飞石安全距离 R=20Kn2W 毒气安全距离 Rk=KE Q 1/3（详见教材）,第四节 爆破施工,